Chế tạo và tính chất quang các hạt nano keo huỳnh quang CdSe CdS và CdSe CdS SiO2 trong môi trường nước (Luận văn thạc sĩ)

Chế tạo và tính chất quang các hạt nano keo huỳnh quang CdSe CdS và CdSe CdS SiO2 trong môi trường nước (Luận văn thạc sĩ)Chế tạo và tính chất quang các hạt nano keo huỳnh quang CdSe CdS và CdSe CdS SiO2 trong môi trường nước (Luận văn thạc sĩ)Chế tạo và tính chất quang các hạt nano keo huỳnh quang CdSe CdS và CdSe CdS SiO2 trong môi trường nước (Luận văn thạc sĩ)Chế tạo và tính chất quang các hạt nano keo huỳnh quang CdSe CdS và CdSe CdS SiO2 trong môi trường nước (Luận văn thạc sĩ)Chế tạo và tính chất quang các hạt nano keo huỳnh quang CdSe CdS và CdSe CdS SiO2 trong môi trường nước (Luận văn thạc sĩ)Chế tạo và tính chất quang các hạt nano keo huỳnh quang CdSe CdS và CdSe CdS SiO2 trong môi trường nước (Luận văn thạc sĩ)Chế tạo và tính chất quang các hạt nano keo huỳnh quang CdSe CdS và CdSe CdS SiO2 trong môi trường nước (Luận văn thạc sĩ)Chế tạo và tính chất quang các hạt nano keo huỳnh quang CdSe CdS và CdSe CdS SiO2 trong môi trường nước (Luận văn thạc sĩ)Chế tạo và tính chất quang các hạt nano keo huỳnh quang CdSe CdS và CdSe CdS SiO2 trong môi trường nước (Luận văn thạc sĩ)Chế tạo và tính chất quang các hạt nano keo huỳnh quang CdSe CdS và CdSe CdS SiO2 trong môi trường nước (Luận văn thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM NGUYỄN THỊ LAN ANH CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC HẠT NANO KEO HUỲNH QUANG CdSe/CdS VÀ CdSe/CdS@SiO2 TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 60.44.01.04 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Vũ Thị Kim Liên Thái Nguyên - năm 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi hướng dẫn PGS.TS Vũ Thị Kim Liên PGS.TS Chu Việt Hà, số liệu tài liệu trích dẫn có nguồn gốc rõ ràng Kết luận văn chưa công bố cơng trình nghiên cứu khoa học khác, có sai tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm Thái Nguyên, tháng 10 năm 2017 Tác giả luận văn Nguyễn Thị Lan Anh i LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới giáo PGS.TS Vũ Thị Kim Liên cô giáo PGS.TS Chu Việt Hà tận tình hướng dẫn tạo điều kiện vơ thuận lợi cho em suốt q trình thực luận văn để em hồn thành luận văn Em xin gửi lời cảm ơn tới Ban Giám Hiệu nhà trường, Ban chủ nhiệm khoa Vật lý - Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên, khoa Sau Đại học - Đại học Sư phạm Thái Nguyên tạo điều kiện thuận lợi giúp em hoàn thành luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới chị Hồng Thị Hằng (học viên cao học khóa 24, trường ĐHSP Hà Nội); bạn Ngơ Văn Hồng, Phùng Văn Vững (học viên cao học trường Đại học Sư phạm - ĐHTN) bạn sinh viên nhóm nhiệt tình giúp đỡ tơi q trình làm thực nghiệm thực luận văn Thái Nguyên, tháng 10 năm 2017 Học viên Nguyễn Thị Lan Anh ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC BẢNG iv DANH MỤC HÌNH v MỞ ĐẦU 1 Lí chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Nội dung nghiên cứu 5 Bố cục luận văn Chương 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN 1.1 Tổng quan chấm lượng tử 1.1.1 Các mức lượng hạt tải chấm lượng tử bán dẫn 1.1.2 Các tính chất quang lý chấm lượng tử 1.1.3 Độ độc hại chấm lượng tử 13 1.1.4 Phương pháp chế tạo chấm lượng tử 14 1.2 Tổng quan hạt nano silica phát quang 15 1.2.1 Các hạt nano silica chứa tâm màu 15 1.2.2 Các phương pháp thực nghiệm chế tạo hạt nano silica 16 1.3 Nghiên cứu chế tạo hạt nano silica chứa chấm lượng tử CdSe/CdS 20 Kết luận chương 22 Chương 2: THỰC NGHIỆM 23 2.1 Thực nghiệm chế tạo mẫu 23 2.1.1 Chế tạo hạt nano CdSe/CdS phân tán môi trường nước 23 2.1.2 Bọc hạt nano CdSe/CdS lớp vỏ silica phương pháp Stöber 25 2.2 Các phương pháp thực nghiệm khảo sát tính chất mẫu 27 2.2.1 Kính hiển vi điện tử truyền qua 27 2.2.2 Phương pháp đo tán xạ ánh sáng động (Dynamic Light Scattering - DLS) Zeta 29 iii 2.2.3 Phép đo phổ hấp thụ 32 2.2.4 Phép đo phổ huỳnh quang 34 Kết luận chương 36 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 37 3.1 Kết chế tạo tính chất hạt nano chấm lượng tử CdSe/CdS 37 3.1.1 Kết chế tạo hạt nano chấm lượng tử CdSe/CdS 37 3.1.2 Đặc trưng quang học hạt nano chấm lượng tử CdSe/CdS 38 3.1.3 Hiệu suất lượng tử hạt nano CdSe/CdS 44 3.2 Kết chế tạo tính chất hạt nano CdSe/CdS@SiO2 45 3.2.1 Kết chế tạo hạt nano CdSe/CdS@SiO2 45 3.2.2 Kích thước hình thái 46 3.2.3 Đặc trưng quang học hạt nano CdSe/CdS@SiO2 47 3.2.4 Bán kính thủy động học zeta hạt nano CdSe/CdS@SiO2 49 3.3 Độ bền quang hạt nano CdSe/CdS CdSe/CdS/SiO2 56 Kết luận chương 58 KẾT LUẬN 59 CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 iv DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Lượng hóa chất tương ứng chế tạo hạt nano CdSe/CdS theo tỷ lệ w 23 Bảng 2.2 Thí nghiệm chế tạo hạt nano CdSe/CdS@SiO2 với lượng xúc tác thay đổi 27 Bảng 2.3 Thí nghiệm chế tạo hạt nano CdSe/CdS@SiO2 với lượng APTES thay đổi 27 Bảng 2.4 Độ ổn định hạt keo dung dịch phụ thuộc vào zeta [3] 32 Bảng 3.1 Bán kính lõi CdSe chấm lượng tử CdSe/CdS với tỉ lệ w khác 40 Bảng 3.2 Phát xạ huỳnh quang chấm lượng tử CdSe/CdS với tỉ lệ w khác 43 Bảng 3.3 Hiệu suất lượng tử bước sóng kích thích 480 nm 45 iv DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Phổ hấp thụ chấm lượng tử CdSe kích thước khác Hình 1.2 Minh họa phát xạ chấm lượng tử theo kích thước hạt 11 Hình 1.3 Chấm lượng tử có cấu trúc lõi-vỏ minh họa cấu trúc vùng lượng chấm lượng tử cấu trúc lõi- vỏ 12 Hình 1.4 Minh họa cấu tạo hạt nano silica chứa tâm màu hữu 15 Hình 1.5 Phổ hấp thụ huỳnh quang hạt nano silica chứa Rhodamine Rhodamine tự dung môi 16 Hình 1.6 Cường độ huỳnh quang theo thời gian chiếu kích thích hạt nano silica chứa Rhodamine B Rhodamine B tự kích thích laser 532, mật độ cơng suất 1.821011 W/cm2 16 Hình 1.7 Sự hình thành mạng silica sau trình thủy phân ngưng tụ 18 Hình 1.8 Các hệ micelle: micelle thuận (phía trái) micelle đảo (phía phải) 19 Hình 2.1 Sơ đồ chế tạo hạt nano CdSe nước 24 Hình 2.2 Sơ đồ chế tạo hạt nano CdSe/CdS nước 25 Hình 2.3 Sơ đồ quy trình chế tạo hạt nano CdSe/CdS@SiO2 26 Hình 2.4 Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 28 Hình 2.5 Kính hiển vi điện tử truyền qua JEM1010 (JEOL) thuộc Viện Vệ sinh dịch tễ Trung ương 28 Hình 2.6 Phân bố điện tích bề mặt hạt keo tích điện âm 31 Hình 2.7 Minh họa điện động zeta gần bề mặt hạt keo 31 Hình 2.8 Sơ đồ hệ đo hấp thụ quang UV-Vis 34 Hình 2.9 Cấu hình chi tiết máy phổ kế huỳnh quang Carry Eclipse 35 Hình 2.10 Ảnh chụp hệ đo huỳnh quang nhãn hiệu FS 920 phòng thí nghiệm Quang học Quang phổ - Khoa vật lí, Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên 36 Hình 3.1 Ảnh chụp mẫu dung dịch chấm lượng tử CdSe/CdS ánh sáng đèn tử ngoại phát xạ màu đỏ- cam, vàng xanh tương ứng với tỷ lệ w 1, 37 Hình 3.2 Ảnh TEM mẫu chấm lượng tử CdSe/CdS w = 37 v Hình 3.3 Phổ hấp thụ chấm lượng tử CdSe CdSe/CdS với kích thước lõi CdSe chế tạo với tỷ lệ w = 38 Hình 3.4 Phổ hấp thụ chấm lượng tử CdSe/CdS với tỷ lệ w khác 39 Hình 3.5 Phổ huỳnh quang chấm lượng tử CdSe CdSe/CdS với kích thước lõi CdSe chế tạo với tỷ lệ w = 41 Hình 3.6 Minh họa cấu trúc lõi/vỏ hạt nnao CdSe/CdS chế tạo 41 Hình 3.7 Phổ huỳnh quang chấm lượng tử CdSe/CdS với tỷ lệ w 1, bước sóng kích thích 480 nm nhiệt độ phòng 43 Hình 3.8 Phổ huỳnh quang chuẩn hóa chấm lượng tử CdSe/CdS chế tạo với tỉ lệ w= 1, 2, 44 Hình 3.9 Phổ hấp thụ chấm lượng CdSe/CdS với tỉ lệ w = 1, độ hấp thụ 480 nm so sánh với Rhodamine 6G 45 Hình 3.10 Phổ huỳnh quang chấm lượng tử CdSe/CdS với tỉ lệ w = 1, độ hấp thụ 480 nm so sánh với Rhodamine 6G 45 Hình 3.11 Ảnh hạt nano silica chứa chấm lượng tử CdSe/CdS 46 Hình 3.12 Ảnh TEM hạt nano silica chứa chấm lượng tử CdSe/CdS 47 Hình 3.13 Phổ hấp thụ hạt nano silica chứa chấm lượng tử CdSe/CdS (với lượng tiền chất chế tạo ban đầu 700µl H2O, 300µl NH4OH, 1,5µl APTES, 150µl TEOS) so sánh với chấm lượng tử CdSe/CdS không bọc silica 47 Hình 3.14 Phổ huỳnh quang hạt nano CdSe/CdS@SiO2 (với lượng tiền chất chế tạo ban đầu 700µl H2O, 300µl NH4OH, 1.5µl APTES, 150µl TEOS), nồng độ chấm lượng tử đưa vào ban đầu so chấm lượng tử CdSe/CdS không bọc silica 48 Hình 3.15 Phổ huỳnh quang hạt nano silica không chứa chấm lượng tử hạt nano silica chứa chấm lượng tử (CdSe/CdS@SiO2) với điều kiện chế tạo 49 Hình 3.16 Phân bố kích thước hạt nano CdSe/Cds@SiO2 chế tạo với lượng chất H2O, NH4OH, APTES, TEOS 700µl, 300µl, 1.5µl, 150µl 50 vi Hình 3.17 Thế zeta chấm lượng tử CdSe/CdS hạt nano CdSe/CdS@SiO2 51 Hình 3.18 Ảnh TEM hạt nano CdSe/CdS/SiO2 với hai lượng xúc tác 150 ml (ảnh trái) 300 ml (ảnh phải) (các lượng hóa chất khác tương ứng TEOS, H2O, APTES 150 µl, 700 µl, 1,5µl) 52 Hình 3.19 Phổ hấp thụ hạt nano CdSe/CdS/SiO2 với lượng xúc tác khác 52 Hình 3.20 Phổ huỳnh quang hạt nano CdSe/CdS/SiO2 với lượng xúc tác khác 53 Hình 3.21 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc cường độ huỳnh quang hạt nano CdSe/CdS/SiO2 theo lượng xúc tác khác 53 Hình 3.22 Phổ hấp thụ hạt nano CdSe/CdS/SiO2 chế tạo với lượng APTES khác 55 Hình 3.23 Phổ huỳnh quang hạt nano CdSe/CdS/SiO2 chế tạo với lượng APTES khác 55 Hình 3.24 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc cường độ huỳnh quang hạt nano CdSe/CdS/SiO2 theo lượng APTES tham gia phản ứng 56 Hình 3.25 Sự phụ thuộc cường độ huỳnh quang vào thời gian chiếu ánh sáng kích thích chấm lượng tử CdSe/CdS chế tạo với w = 57 Hình 3.26 Phổ huỳnh quang mẫu CdSe/CdS@SiO2 theo thời gian bảo quản mẫu 57 vii MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Các vật liệu đánh dấu huỳnh quang dựa hạt nano bán dẫn hay chấm lượng tử thu hút nhiều quan tâm vài thập kỷ gần tính chất điện, quang đặc biệt so với vật liệu khối kích thước tương đương với thành phần thể sống [8, 27, 37] So sánh với chất đánh dấu chất màu hữu truyền thống protein phát quang tự nhiên, chấm lượng tử có nhiều ưu điểm độ chói độ bền quang cao, thời gian sống phát quang dài khơng bị tẩy quang nên thích hợp sử dụng làm chất đánh dấu huỳnh quang sinh học ứng dụng thơng tin điện tử Các tính chất quang điện chấm lượng tử chuyển tiếp tính chất vật liệu khối phân tử, nguyên tử Các tính chất phụ thuộc vào kích thước hạt hiệu ứng giam giữ lượng tử hạt tải điện tử lỗ trống [27] Cụ thể, độ rộng vùng cấm hạt nano bán dẫn mở rộng so với vật liệu khối độ rộng vùng cấm lớn kích thước chấm lượng tử nhỏ Do tính chất chấm lượng tử điều khiển cách thay đổi kích thước Sự phát triển vật liệu phát quang sở chấm lượng tử dạng keo quan tâm nghiên cứu ứng dụng đánh dấu y-sinh Việc nghiên cứu đưa chấm lượng tử có tính tương thích sinh học cao ứng dụng thuộc ngành hóa sinh học, cơng nghệ sinh học khoa học y tế đánh dấu ảnh tế bào, làm đầu dò phát quang cho đối tượng phân tử dán nhãn ngày quan tâm phát triển Các nghiên cứu cho thấy, tính chất phát quang chấm lượng tử phụ thuộc mạnh vào cấu trúc bề mặt Các trạng thái bề mặt chấm lượng tử làm tăng phát xạ bề mặt làm giảm hiệu suất tái hợp xạ nội hạt nano Việc cải thiện tính chất quang chấm lượng tử nhằm nâng cao hiệu suất phát xạ cách thay đổi bề mặt chấm chủ đề nghiên cứu quan trọng Bọc chấm lượng tử dung dịch hữu không đồng lớp vỏ vô chiến lược hiệu để tối ưu hóa tính chất phát quang chấm lượng tử, chẳng hạn ổn định quang hóa trở nên mạnh mẽ tăng hiệu suất phát quang, đảm bảo điều kiện ... lượng tử CdSe/ CdS 37 3.1.2 Đặc trưng quang học hạt nano chấm lượng tử CdSe/ CdS 38 3.1.3 Hiệu suất lượng tử hạt nano CdSe/ CdS 44 3.2 Kết chế tạo tính chất hạt nano CdSe/ CdS@ SiO2 ... hóa chất tương ứng chế tạo hạt nano CdSe/ CdS theo tỷ lệ w 23 Bảng 2.2 Thí nghiệm chế tạo hạt nano CdSe/ CdS@ SiO2 với lượng xúc tác thay đổi 27 Bảng 2.3 Thí nghiệm chế tạo hạt nano CdSe/ CdS@ SiO2. .. chế tạo hạt nano CdSe/ CdS@ SiO2 45 3.2.2 Kích thước hình thái 46 3.2.3 Đặc trưng quang học hạt nano CdSe/ CdS@ SiO2 47 3.2.4 Bán kính thủy động học zeta hạt nano CdSe/ CdS@ SiO2